《Environmental Technology & Innovation》：Mg-modified biochar mitigates carbon and nitrogen losses and enhances humification by reshaping core microbial community function in distilled grain waste composting
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本研究针对白酒糟堆肥过程中腐殖化周期长、碳氮损失严重的双重挑战，创新性地引入镁改性生物炭作为增效剂。研究系统量化了镁改性生物炭对堆肥过程、碳氮协同留存及腐殖化动态的影响。结果表明，相比于传统生物炭和空白对照，镁改性生物炭能显著加速堆肥进程（缩短成熟时间7天），并实现了更优异的碳氮协同留存效果（减少氮损失30.15%，碳损失19.61%），同时腐殖酸碳含量大幅提升97.72%。该研究通过微生物网络拓扑分析和XGBoost-SHAP机器学习模型揭示了其微观作用机制，为开发高效、低排放的白酒糟资源化技术提供了理论基础与实践证据。
随着全球白酒产业的蓬勃发展，中国白酒年产量巨大，与之相伴产生的是数以千万吨计的白酒糟废弃物。这些废弃物如果得不到妥善处理，将会对大气、土壤和水体造成巨大的环境压力。好氧堆肥是一种将有机废弃物转化为稳定腐殖质的高效环保技术。然而，传统的白酒糟堆肥面临着腐殖化周期漫长、过程中易降解有机质矿化导致碳氮大量损失等瓶颈，制约了高品质腐熟产物的积累。为突破这些瓶颈，研究人员将目光投向了生物炭这种被广泛使用的堆肥添加剂。它通过物理吸附和提供微生物栖息微环境，能够有效减少碳氮损失。但原始生物炭的性能不稳定，且常需高剂量添加。镁因其成本低、环境友好且被证明在控制堆肥氮损失中起关键作用，成为理想的生物炭改性材料。因此，一项题为《Mg-modified biochar mitigates carbon and nitrogen losses and enhances humification by reshaping core microbial community function in distilled grain waste composting》的研究在《Environmental Technology》期刊上发表，旨在系统探究镁改性生物炭如何协同调控白酒糟堆肥中的碳氮转化与腐殖化过程。
研究采用了实验室规模的好氧堆肥反应器，设置了三个处理组：空白对照组(CK)、添加10%原始生物炭组(T1)和添加10%镁改性生物炭组(T2)。堆肥原料主要使用泸州老窖提供的新鲜白酒糟。研究持续监测温度、pH、电导率(EC)、含水率(MC)、种子发芽指数(GI)等理化性质。通过测定CO2和NH3累积排放量来计算碳氮损失。利用碱提取法分离富里酸和腐殖酸，并测定其碳含量(HAC, FAC)，通过SUVA254、SUVA280和E4/E6比值评估溶解性有机物(DOM)的芳香度和分子量变化。运用自组织映射(SOM)对多个关键腐殖化参数进行可视化分析，以追踪堆肥过程的动态演替。采用高通量测序技术分析细菌和真菌群落结构，构建微生物共现网络并分析其拓扑结构。最后，利用可解释的XGBoost-SHAP机器学习模型，定量识别了驱动堆肥腐殖化和碳氮转化的关键物理化学因子与核心微生物物种。
3.1. 堆肥腐殖化过程的动态追踪
结果显示，添加镁改性生物炭(T2)能略微提高堆肥峰值温度(72.9℃)，并使高温期持续时间缩短，表明其促进了易降解有机质的快速矿化。在所有处理中，T2组的种子发芽指数(GI)率先在第37天达到≥80%的更严格成熟标准，比T1组提前了7天。这表明镁改性生物炭显著加快了堆肥的毒性去除和腐殖化进程。DOM分析表明，堆肥过程中SUVA254和SUVA280值逐渐升高，而E4/E6比值持续下降，说明有机物分子量和芳香度增加，正向更稳定的腐殖质转化。T2组表现出更高的SUVA值及更低的E4/E6值，证明其更有效地促进了芳香性稳定有机组分的积累。自组织映射(SOM)分析直观地证实了T2组堆肥样品沿着成熟路径的演替速度更快，例如T2-8天的样品与CK-12天和CK-16天的样品映射到同一神经元，表明镁改性生物炭显著加快了堆肥进程。
3.2. 氮素转化
在整个堆肥过程中，T2处理的NH4+峰值浓度略低且衰减更快，表明其对NH4+的吸附和促进硝化作用更强。硝态氮(NO3-)在T2组中于第23天被再次检测到，早于T1组(30天)和CK组(37天)，证实了镁改性生物炭加速了硝化进程的启动。最终，与CK相比，T1和T2分别减少了26.42%和30.15%的氮损失，且T2组的累积NH3释放量最低。这说明镁改性生物炭通过增强吸附、促进铵态氮向硝态氮转化以及可能促进鸟粪石结晶等方式，显著提升了系统的氮素留存效率。
3.3. 碳素转化
溶解性有机碳(DOC)在所有处理中均快速下降，T2组的下降速度最快，表明其提供的更大比表面积和孔隙结构优化了微生物栖息环境，加速了有机碳的分解转化。有趣的是，T2组的累积CO2释放量(426.82 L)显著低于CK组(546.93 L)和T1组(542.73 L)。这表明镁改性生物炭不仅吸附固定了部分CO2，还为氨氧化细菌等提供了无机碳源，促进了氮转化。最终，T2组的碳损失率(34.48%)显著低于CK组(42.89%)，碳固定率提升了19.61%。腐殖质组分分析显示，堆肥过程中腐殖酸碳(HAC)含量先增后降再缓慢上升，富里酸碳(FAC)持续下降。在堆肥结束时，T2组的HAC含量较初始增加了97.72%，增幅远高于CK组(33.84%)和T1组(4.28%)，证实了镁改性生物炭能高效促进富里酸向更稳定的腐殖酸转化，从而实现更多的碳以腐殖酸形式被封存。
3.4. 微生物群落组成
主坐标分析(PCoA)显示，随着堆肥进行，微生物群落结构呈现明显的时间梯度变化。在中后期，T2组的细菌和真菌群落均显著区别于CK和T1组，形成了相对独立的簇群，表明镁改性生物炭具有更强的重塑微生物群落结构的能力。在门水平上，T2处理降低了强矿化菌厚壁菌门(Firmicutes)的相对丰度，同时提升了参与碳氮循环的变形菌门(Proteobacteria)和具有木质纤维素降解能力的放线菌门(Actinobacteriota)的相对丰度。在属水平上，T2组显著富集了可能参与氨氧化和促进腐殖酸形成的黄色单胞菌属(Luteimonas)，以及具有木质纤维素降解能力的马杜拉放线菌属(Actinomadura)。真菌群落方面，T2组在堆肥中后期显著富集了担子菌门(Basidiomycota)和壶菌门(Chytridiomycota)，这两类真菌在木质纤维素等难降解组分分解中起关键作用。
3.5. 微生物群落共现网络分析
共现网络分析表明，与CK和T1相比，T2处理下的细菌和真菌网络拥有更多的节点和连接边，平均路径长度和聚类系数更高，模块化指数也最高(细菌网络：0.75)。这表明镁改性生物炭增强了微生物间的互作强度和网络复杂度，构建了更稳定、功能更强大的微生物互作网络。通过Zi-Pi分析发现，T2组中识别出的关键菌属(模块枢纽或连接器)数量最多。这些关键菌属(如Luteimonas, Thermobifida)虽然相对丰度可能不高，但在跨模块信息流和功能协同中扮演着核心角色，共同促进了碳氮协同留存和腐殖化。
3.6. XGBoost-SHAP揭示腐殖化与碳氮转化的驱动机制
研究构建了以堆肥成熟度(GI)、氮损失和腐殖酸碳(HAC)含量为响应变量的XGBoost回归模型，并结合SHAP框架进行解释。模型分析揭示：
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对于堆肥成熟度(GI)，关键驱动因素包括具有多糖降解能力的Rhodopirellula、未分类的微囊菌目(Microascales)和根瘤菌科(Rhizobiaceae)细菌，以及电导率(EC)。
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对于氮损失，高含水率(MC)和高pH是主要的环境驱动因子，会加剧氮损失。同时，T2处理有效抑制了与氮矿化、硝化或反硝化相关的菌科如产碱菌科(Alcaligenaceae)、Novibacillus和嗜热多孢菌属(Thermopolyspora)的丰度。
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对于腐殖酸碳(HAC)积累，嗜热多孢菌属(Thermopolyspora)、糖单孢菌属(Saccharomonospora)和轮枝孢属(Verticillium)等具有木质纤维素降解能力的菌属贡献最大，它们的丰度在T2组中显著增加。适中的pH和EC条件有利于碳的转化与聚合。
综上所述，镁改性生物炭通过优化堆肥微环境(如调控pH、EC)和差异化调控核心功能菌群，驱动了生态功能的优化。具体而言，它通过抑制产碱菌科(Alcaligenaceae)来控制氮损失，同时促进糖单孢菌属(Saccharomonospora)等菌属的增殖以加速腐殖化，实现了碳氮转化的协同调控。
本研究得出结论，镁改性生物炭是白酒糟堆肥的一种高效添加剂。它不仅能够显著加速堆肥腐殖化进程，缩短成熟时间，更在碳氮协同留存方面表现出卓越性能，能大幅降低氮、碳损失，同时成倍提升终产物中腐殖酸的含量。其核心机制在于重塑了堆肥微生物群落的共现网络拓扑结构，通过增加网络复杂性和模块化，定向富集了木质纤维素降解和氮素留存等功能群落，并抑制了导致养分损失的菌群。XGBoost-SHAP模型进一步从机理上阐明，镁改性生物炭是通过优化理化条件并差异化调控关键物种来驱动这些生态功能的。这项工作为开发高效、低排放的白酒糟资源化技术提供了清晰的微生物学机制和扎实的实验证据，对于推动酿酒副产物的绿色循环利用和农业可持续发展具有重要的理论和实践意义。
